Sistema de monitoreo de la zona vadosa para la caracterización en tiempo real de contaminantes
que se filtran a las aguas subterráneas en Israel
zona vadosa
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Responsables de la práctica innovadora :
No se sabe
La contaminación de las aguas subterráneas de origen antropogénico es el resultado de las actividades desarrolladas en la superficie terrestre y en la parte superior del suelo. Los contaminantes se transportan a través de la zona vadosa (zona no saturada) a las aguas subterráneas de abajo, imponiendo graves amenazas a la calidad de todos los recursos hídricos relacionados, como ríos y lagos, a veces apoyando los ecosistemas dependientes de las aguas subterráneas. Un tiempo de retraso de años a décadas entre los procesos que ocurren en la zona radicular y su huella final en la calidad del agua subterránea impide la toma de decisiones adecuadas sobre el uso de la tierra y la gestión de los recursos de aguas subterráneas. Una solución clave es monitorear la zona vadosa.
Este estudio implementó un sistema innovador, el Sistema™ de Monitoreo de la vadosa de Sensoil, que permite el monitoreo continuo y la recolección de muestras de agua directamente desde la zona vadosa, proporcionando un seguimiento continuo en tiempo real de la percolación del agua y el transporte de contaminantes a través de esta zona, desde la superficie terrestre hasta el agua subterránea. Una vez instalado, el VMS forma una estación de monitoreo accesible (o red de estaciones) de la zona de vadosa.
Entidad responsable
Sensoil Innovaciones Ltd. (Figura. 1) es una empresa que desarrolla e implementa tecnologías y soluciones inteligentes de detección de suelos, para la protección de las aguas subterráneas y el medio ambiente.
Fundada en 2013 para comercializar tecnologías de subsuperficie desarrolladas en la Universidad Ben-Gurion del Negev Israel, la tecnología patentada de monitoreo™ de zona de vadosa (VMS) de Sensoil.
Las dos principales entidades relacionadas con este estudio son (Fig. 2) la Universidad Ben Gurion del Negev (Sde Boker Campus, Negev 84990, Israel) y el Centro Volcani, Organización de Investigación Agrícola (P.O. Box 6, Bet Dagan 50250, Israel).
Explicación detallada
La protección de los recursos de agua subterránea contra la contaminación es vital para la protección y el uso sostenible de esta importante fuente de agua.
En la mayoría de las situaciones, la calidad del agua subterránea se evalúa y se extrae de los pozos y, por lo tanto, la concentración de contaminantes ya podría estar en niveles que conducirán a la descalificación del acuífero como fuente de agua potable, flujo base para ríos o soporte del ecosistema (cf. Fig. 4).
Se ha estimado que el tiempo de transferencia de contaminantes dentro de la zona vadosa toma semanas o décadas, dependiendo del régimen hídrico, el espesor de la zona vadosa y las características litológicas del subsuelo (Spalding et al., 2001; Scanlon et al., 2010). El destino y el transporte de los contaminantes por debajo de la zona radicular dependen de cuestiones como la recarga, la variabilidad espacial del suelo, la química del suelo y la biología. Por lo tanto, las estimaciones de los flujos en la zona vadosa han mostrado diferencias significativas en el tiempo y las concentraciones. Además, el efecto acumulativo de los contaminantes que se filtran desde la zona radicular a través de la zona insaturada sobre los niveles de contaminantes en las aguas subterráneas se difumina al mezclarse y diluirse en el agua del acuífero.
El conocimiento del desfase temporal entre el inicio de un proceso de contaminación en la zona vadosa y su efecto final sobre la calidad del acuífero son fundamentales para proporcionar a los responsables de la toma de decisiones la oportunidad de implementar medidas y más tiempo para planificar posibles planes alternativos para el suministro de agua.
El sistema de monitoreo de la zona vadosa Sensoil es una herramienta desarrollada recientemente que permite el monitoreo continuo de las propiedades hidrológicas y químicas del agua que se filtra en la zona vadosa profunda en entornos agrícolas (Turkeltaub et al., 2014, 2015) y otros entornos hidrológicos (por ejemplo, Dahan et al., 2009; Baram et al., 2013) (Fig. 5).
Los datos recopilados por el sistema comprenden mediciones directas de los flujos de percolación de agua y la evolución química del agua de percolación en toda la zona vadosa.
El sistema de monitoreo de la zona de vadosa (VMS) (Fig. 6) se compone de mangas flexibles (1) implementadas en pozos inclinados sin carcasa. Las mangas flexibles albergan múltiples unidades de monitoreo, distribuidas a lo largo de su longitud. Cada unidad de monitoreo está compuesta por: sensores de nivel, puertos de muestreo de zona vadosa y puertos de muestreo de gas para muestreo frecuente de la zona vadosa. La recopilación de datos de VMS y el muestreo de agua se gestionan a través del panel de control VMS único de Sensoil, instalado in situ (2). El acceso completo a los datos en tiempo real está disponible desde cualquier lugar, a través de la nube (3). El acceso a los datos está dedicado y personalizado para cada cliente (4).
La funda VMS está hecha de revestimiento delgado flexible resistente a productos químicos, con unidades de monitoreo añadidas integralmente a lo largo de su longitud. Todas las unidades de monitoreo están conectadas a un panel de control que se instala en la superficie del terreno. Está adaptado para su instalación en pozo de 6″ de diámetro perforado a 35º (a vertical), 55º (a horizonte). Las sondas de reflectometría de dominio de tiempo flexible (FTDR) para el monitoreo del sedimento permiten la medición continua del contenido de agua y la temperatura del sedimento. Todos y cada uno de los sensores FTDR se prueban para determinar su calidad y rendimiento y se precalibran para la medición de la permitividad en un medio de prueba de propiedades dieléctricas conocidas.
El muestreo del agua de poro de la zona vadosa por el VSP (Vadosa Sampling Port) es similar a los tensiómetros estándar y las ventosas, la continuidad hidráulica se logra a través de un medio poroso flexible fino. El VSP funciona a través de un conjunto de tuberías de acceso de pequeño diámetro y válvulas de control. El VSP se instala en la funda VMS junto con el FTDR. La sonda de muestreo de gas (GSP) permite la recolección de la fase gaseosa desde las cercanías del VSP. Como tal, la comparación del contenido del contaminante en la fase de agua y gas se puede lograr en toda la zona vadosa.
El panel de control está encerrado en un armario estándar protegido contra la intemperie. Un conjunto de válvulas de colectores de presión y manómetros en el panel de control permiten el acceso directo a cada una de las unidades de monitoreo para muestreo frecuente y mantenimiento regular.
Un registrador de datos se utiliza para recopilar datos sobre el contenido de agua, la temperatura y las mediciones de presión, proporcionando datos continuos en tiempo real y advertencias anticipadas para soluciones de apoyo a la toma de decisiones. El software es capaz de recibir, almacenar, registrar datos, procesar, producir gráficos, enviar y acceder a los datos en bruto y procesados. El acceso es dedicado y personalizado por cliente. Todos los datos están protegidos por estándares de seguridad de alta gama y bajo la política de privacidad requerida.
La Fig. 7 muestra un ejemplo de los resultados que se pueden obtener utilizando el sistema Sensoil. El objetivo de ese estudio fue demostrar el flujo de agua y el transporte de nitratos a través de la zona vadosa profunda subyacente al campo de cultivo, con respecto a los patrones de lluvia, así como la configuración agrícola y de fertilización.
Es posible ver la migración de nitratos más profundamente en la zona vadosa para diferentes profundidades y el efecto de los inviernos lluviosos (por ejemplo, 2012/13), con avances sustanciales de nitratos notables en la mayor parte de la sección transversal de la zona vadosa (marcada con flechas en la Fig. 7).
Entorno institucional
La tecnología de monitoreo en tiempo real de Sensoil es una herramienta crucial de «alerta temprana», recomendada por organizaciones gubernamentales y agencias reguladoras.
Los clientes de todo el mundo que utilizan y confían en la robusta tecnología de Sensoil incluyen: gobiernos, agencias reguladoras, municipios, empresas industriales y de ingeniería, instituciones académicas y de investigación.
Entorno geográfico
Israel (Fig. 3) es un país con baja disponibilidad de agua, que ha experimentado casi siete años consecutivos de sequía entre 2003/04 y 2010/11, y una sequía de cinco años entre 2013 y 2018 (Gruère et al., 2020; OCDE, 2020b).
La agricultura de Israel desempeña un papel importante en la economía del país, produciendo volúmenes significativos de frutas y verduras, así como cereales y legumbres. Entre 2000 y 2018, la participación de la agricultura en las extracciones de agua dulce se ha reducido a la mitad (disminuyendo del 64% al 35% de las extracciones totales de agua), en gran parte debido a los cambios en la gestión del agua, especialmente el uso de aguas residuales tratadas para el riego (OCDE, 2020c).
Sin embargo, los excedentes de nutrientes han crecido significativamente: el balance de nitrógeno ha aumentado entre 2000 y 2018 de 189 a 236 kg/ha, alcanzando un nivel siete veces superior al promedio de la OCDE, mientras que el balance de fósforo ha aumentado de 66 kg/ha a 69 kg/ha durante el mismo período (OCDE, 2020a). VMS ofrece un sistema para mediciones en tiempo de riego de los niveles de nutrientes en el suelo, proporcionando a los agricultores datos relevantes y oportunos, lo que permite la fertilización y la optimización del riego, para aumentar el rendimiento y la calidad agrícola, pero también para proteger el agua subterránea.
Reseña histórica
Esta tecnología es el resultado de unos 20 años de investigación liderada por el profesor Ofer Dahan, de la Universidad Ben Gurion del Negev, (Israel) y de la Universidad de Nevada, Reno (EE.UU.).
Su aplicación ha comenzado más recientemente (en 2016) y los sistemas se han instalado y aplicado en más de 100 sitios, incluidos la UE, Estados Unidos, China, Australia y África.
Evidencia de los beneficios de la implementación
En los últimos años se han instalado más de 100 sistemas de monitoreo de zonas de vadosa en todo el mundo. Se han evitado los casos de contaminación de acuíferos y fuentes naturales de agua, se han optimizado los procesos de remediación y se ha mejorado el conocimiento científico y la investigación. También se han optimizado los esquemas de fertilización y riego de cultivos.
En Referencias, se enumera un conjunto de sitios y aplicaciones de estudio de casos, junto con los beneficios obtenidos.
Potencial de replicación en la región SUDOE
El sistema de monitorización de la zona de vadosa Sensoil ofrece la posibilidad de monitorizar en tiempo real esta área, teniendo como objetivo principal la protección de la calidad de las aguas subterráneas.
En las áreas agrícolas, las mediciones en tiempo de riego de los niveles de nutrientes y los sensores de humedad en el suelo pueden proporcionar a los agricultores datos relevantes y oportunos, lo que permite la fertilización y la optimización del riego, para aumentar el rendimiento y la calidad agrícolas y proteger el agua subterránea.
Estos sistemas se pueden instalar en una variedad de aplicaciones en la región SUDOE, donde el monitoreo de la zona de vadosa, además de la zona saturada, es importante, como la protección de los recursos hídricos, la remediación, la seguridad de las presas, el vertedero o la minería. Algunos ejemplos de logros son:
- Información sobre los procesos de contaminación que tienen lugar en la zona vadosa, en apoyo de las decisiones y medidas de protección de los acuíferos;
- evaluar las vías de transporte y degradación, y los impactos del tratamiento de remediación, lo que permite la optimización de la remediación in situ;
- proporcionar información continua sobre la humedad de los sedimentos de la presa y las filtraciones en tiempo real, esenciales para mejorar los programas de seguridad de los terraplenes de la presa;
- proporcionar datos en tiempo real sobre las velocidades del flujo de agua y la evolución química de los contaminantes que se filtran dentro y debajo de un vertedero municipal, lo que permite medidas oportunas en la gestión de vertederos.
Perspectivas de futuro
La construcción e implementación de tecnologías y soluciones inteligentes de detección de suelos para la protección de las aguas subterráneas y el medio ambiente se está llevando a cabo en más de 100 sitios, incluidos la UE, los Estados Unidos, China, Australia y África.
Es probable que estos sistemas de alerta temprana se expandan debido a su capacidad para proporcionar información en tiempo real sobre los procesos de contaminación que tienen lugar en la zona insaturada, mucho antes de que los contaminantes se acumulen en el acuífero.
Puntos clave del método innovador
En pocas palabras, el sistema Sensoil proporciona una solución integrada única que incorpora (1) monitoreo continuo y recolección de muestras de agua de la zona vadosa, (2) panel control de administración, instalado en el sitio, (3) acceso a datos en tiempo real, disponibles desde cualquier lugar, a través de la nube, y (4) d acceso ata dedicado y personalizado a las necesidades de cada proyecto.
El sistema de monitoreo de la zona de vadosa Sensoil permite:
- Detección de fuentes de contaminación en la zona vadosa.
- Aplicación de las medidas necesarias para evitar una mayor contaminación hasta llegar a las aguas subterráneas.
- Seguimiento de los procesos de remediación dando la información necesaria para su optimización continua.
Los costos pueden ser un inconveniente.
Agradecimientos
Esta práctica innovadora fue sugerida por Teresa E. Leitão de LNEC.
Referencias
Aharoni, I., Siebner, H., and Dahan, O. (2017). Application of vadose-zone monitoring system for real-time characterization of leachate percolation in and under a municipal landfill. Waste Manag. doi:10.1016/j.wasman.2017.05.012.
Aharoni, I., Siebner, H., Yogev, U., & Dahan, O. (2020). Holistic approach for evaluation of landfill leachate pollution potential–From the waste to the aquifer. Science of The Total Environment, 741, 140367.
Avishai, L., Siebner, H., Dahan, O., and Ronen, Z. (2016). Using the natural biodegradation potential of shallow soils for in-situ remediation of deep vadose zone and groundwater. J. Hazard. Mater. 324, 398–405. doi:10.1016/j.jhazmat.2016.11.003.
Baram, S., Ronen, Z., Kurtzman, D., Külls, C., and Dahan, O. (2013). Desiccation-crack-induced salinization in deep clay sediment, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 1533–1545, doi:10.5194/hess-17-1533-2013.
Dahan, O., Katz, I., Avishai, L., & Ronen, Z. (2017). Transport and degradation of perchlorate in deep vadose zone: implications from direct observations during bioremediation treatment. Hydrology & Earth System Sciences, 21(8).
Dahan, O., Talby, R., Yechieli, Y., Adar, E., Lazarovitch, N., and Enzel, Y. (2009). In situ monitoring of water percolation and solute transport using a vadose zone monitoring system, Vadose Zone J., 8, 916–925, doi:10.2136/vzj2008.0134.
Fernández de Vera, N., Beaujean, J., Jamin, P., Hakoun, V., Caterina, D., Dahan, O., Vanclooster, M., Dassargues, A., Nyugen, F. and Brouyère, S. (2017). Tracer experiment in a brownfield using geophysics and a vadose zone monitoring system. Vadose Zone Journal, 16(1), 1-15.
Gruère, G., M. Shigemitsu and S. Crawford (2020). Agriculture and water policy changes: Stocktaking and alignment with OECD and G20 recommendations, OECD Food, Agriculture and Fisheries Papers, No. 144, OECD Publishing, Paris, http://dx.doi.org/10.1787/f35e64af-e
Levakov, I., Han, J., Ronen, Z., & Dahan, O. (2020). Inhibition of perchlorate biodegradation by ferric and ferrous iron. Journal of Hazardous Materials, 124555.
Levakov, I., Ronen, Z., & Dahan, O. (2019). Combined in-situ bioremediation treatment for perchlorate pollution in the vadose zone and groundwater. Journal of hazardous materials, 369, 439-447.
Moshkovich, E., Ronen, Z., Gelman, F., & Dahan, O. (2018). In Situ Bioremediation of a Gasoline‐Contaminated Vadose Zone: Implications from Direct Observations. Vadose Zone Journal, 17(1), 1-11.
OECD (2020a). “Nutrient balance” (indicator), https://doi.org/10.1787/82add6a9-en
OECD (2020b). “Freshwater abstractions”, https://stats.oecd.org
OECD (2020c). Agricultural Policy Monitoring and Evaluation 2020, OECD Publishing, Paris, https://doi.org/10.1787/928181a8-en
Scanlon, B. R., Reedy, R. C., Gates, J. B., and Gowda, P. H. (2010). Impact of agroecosystems on groundwater resources in the Central High Plains, USA, Agr. Ecosys. Environ., 139, 700–713.
Spalding, R. F.,Watts, D. G., Schepers, J. S., Burbach, M. E., Exner, M. E., Poreda, R. J., and Martin, G. E. (2001). Controlling nitrate leaching in irrigated agriculture, J. Environ. Qual., 30, 1184–1194.
Turkeltaub, T., Dahan, O., and Kurtzman, D. (2014). Investigation of groundwater recharge under agricultural fields using transient deep vadose zone data, Vadose Zone J., 13, 1–13, doi:10.2136/vzj2013.10.0176.
Turkeltaub, T., Kurtzman, D., and Dahan, O. (2016). Real-time monitoring of nitrate transport in the deep vadose zone under a crop field – implications for groundwater protection, Hydrol. Earth Syst. Sci., 20, 3099–3108, https://doi.org/10.5194/hess-20-3099-2016,
Turkeltaub, T., Kurtzman, D., Russak, E. E., and Dahan, O. (2015). Impact of switching crop type on water and solute fluxes in deep vadose zone, Water Resour. Res., 51, 9828–9842, doi:10.1002/2015WR017612.
Weissman, G., Bel, G., Ben‐Gal, A., Yermiyahu, U., Alexandrov, B., Rasmussen, K. Ø., & Dahan, O. (2020). Increased irrigation water salinity enhances nitrate transport to deep unsaturated soil. Vadose Zone Journal, 19(1), e20041, https://doi.org/10.1002/vzj2.20041.
Yeshno, E. Arnon, S. Dahan, O. (2019). Continuous in-situ monitoring of nitrate concentration in soils – a key for groundwater protection from nitrate pollution. Hydrol Earth Syst Sci, https://doi.org/10.5194/hess-2019-198.
REFERENCIAS EN INTERNET:
Internet references:
Sensoil’s Vadose-zone Monitoring System https://sensoils.com/technology/
Israel Export Institute https://www.export.gov.il/catalog/cleantechcatalogue/aboutcompany/9066/7284
Other sources:
https://www.linkedin.com/company/sensoil/?originalSubdomain=il
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